3D打印构件的精整工艺与性能研究

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3D打印(也称为增材制造)正迅速发展成为生产复杂构件的新型技术。目前3D打印存在精度与效率间的矛盾,构件必须通过后续加工处理来保证精度。研究学者们尝试采用喷砂,机加工,酸蚀,电抛光或电化学抛光等后处理方法改善表面质量。然而这些后处理方法存在的灵活性差和加工效率低等缺陷限制了它们的工程应用。因此,探索3D打印构件的后续减材加工方法非常重要。纳秒激光加工在金属材料的加工效率、加工成本等方面表现出很大优势,有望成为3D打印钛合金后续减材加工的重要技术方法。然而3D打印构件后续激光加工方面的研究在国内外才刚刚起步,尚有深层次的理论问题和关键技术问题未解决。本文以改善3D打印钛合金表面粗糙度为目标,采用纳秒激光对3D打印钛合金表面进行抛光,系统地研究了光斑重叠率、激光功率和扫描次数对抛光效果的影响。本文不仅实现了对3D打印钛合金的表面形貌和粗糙度的改善,并对抛光后钛合金的组织性能以及生物相容性进行了研究。所得主要结论如下:(1)光斑重叠率是通过累积在样品表面的能量影响抛光效果。当光斑重叠率OPX和OPY为50%时,纳秒激光抛光可获得较好的抛光效果与表面质量,粗糙度为5.1μm。若重叠率小于50%会造成抛光不完整,重叠率大于50%会造成表面重新融化凝固形成突起,粗糙度反而增加。3D打印钛合金的抛光效果与激光功率呈正相关,在功率40W可以获得最佳的抛光效果,粗糙度为3.9μm。随着激光重复扫描次数的增加,工件表面粗糙度整体呈下降趋势。当扫描次数增加到10次,粗糙度为1.3μm。(2)3D打印钛合金抛光后在抛光区域形成α’马氏体,其表面显微硬度比空白样品表面提高了35%。CT结果证实了激光抛光可降低孔隙率和致密化表面层,抛光后表层在0-10μm内可达99.8%的致密度。采用LP-2抛光参数处理后的样品消除了外部的孔隙和裂纹,进而降低表面粗糙度、减少裂纹萌生,抗疲劳性能得到提高。(3)采用LP-2抛光参数处理后提高了3D打印钛合金的生物学性能,样品接触角从102.6°下降到68.5°,表面更亲水,为成骨细的黏附、增殖,分化提供了有利的微环境。
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